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Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Strömungsführung gasförmiger Brennstoffe, welche in Brennstoffzellen verwendet werden, und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Rückführung nicht verbrauchter Brennstoffe mittels einer elektromagnetisch angetriebenen Pumpe.
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Brennstoffzellen sind elektrochemische Energieumwandlungsvorrichtungen, welche elektrische Energie und Wärme durch Umwandlung der chemischen Energie von Brennstoffen erzeugen. Eine einzelne Brennstoffzelle besteht im Allgemeinen aus einem Elektrolyten, welcher zwischen zwei Elektroden, einer porösen Anode und einer Kathode, eingelegt ist. Wenn auch eine große Vielfalt unterschiedlicher Brennstoffzellentypen entwickelt worden ist, so arbeiten doch sämtliche im Wesentlichen nach dem gleichen Prinzip. Bei einer PEM-Brennstoffzelle wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreicher Brennstoff der Anode zugeführt, wo ein Katalysator die negativ geladenen Elektronen des Wasserstoffs von den positiv geladenen Ionen (Protonen) trennt. Die Elektronen von der Anodenseite der Zelle können nicht durch die Membran zu der positiv geladenen Kathode wandern; sie müssen um diese herum über einen elektrischen Schaltkreis wandern, um die andere Seite der Brennstoffzelle zu erreichen. Diese Elektronenbewegung stellt einen elektrischen Strom dar, welcher vorzugsweise verwendet wird, um eine Last, wie beispielsweise einen elektrischen Motor oder ein anderes elektrisches System, anzutreiben. Sobald sie der Kathode über den elektrischen Schaltkreis zugeführt worden sind, verbinden sich die Elektronen mit den Protonen, welche die Membran durchquert haben, und dem Luftsauerstoff, wodurch Wasser oder Hydroxid erzeugt wird. Bei einer Protonenaustauschmembran (PEM = ”protone exchange membrane”) und Phosphorsäurebrennstoffzellen bewegen sich die Protonen durch den Elektrolyten zu der Kathode und verbinden sich mit Sauerstoff und Elektronen, wodurch Wasser und Wärme erzeugt werden. Bei anderen Arten von Brennstoffzellen wie beispielsweise Festoxidbrennstoffzellen (SOFC's ”solid oxid full cells”) wandern negativ geladene Ionen durch den Elektrolyten zur Anode, wo sie sich mit dem Wasserstoff oder anderem oxidierbarem ”Brennstoff” verbinden.
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Im Falle von Wasserstoffbrennstoffzellen kann Wasserstoff als Brennstoff der Anode zugeführt werden, was zuweilen als Anoden-Schleife bezeichnet wird. Die Menge an Wasserstoff, welcher der Anode zugeführt wird, ist eine Funktion diverser Faktoren, einschließlich der relativen Reinheit des Wasserstoff-Brennstoffs, des Strömungssollwertes und anderer variabler Parameter, welche für die jeweilige Brennstoffzellenanwendung spezifisch sind.
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Für einen effizienten Betrieb muss die Brennstoffzelle mit mehr Wasserstoff-Brennstoff versorgt werden, als sie tatsächlich umwandeln kann. Infolgedessen wird zusätzliches, nicht verbrauchtes Wasserstoffgas von der Brennstoffzelle abgegeben. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wurde vorgeschlagen, das nicht verbrauchte Wasserstoffgas zurückzuführen und mit frischem Gas von der Wasserstoffquelle zu kombinieren, bevor es zurück an die Anode der Brennstoffzelle geführt wird. Bekannte Wasserstoffrückführungssysteme basieren auf vergleichsweise komplizierten mechanischen Komponenten oder elektrischen Steuervorrichtungen, bei deren Einsatz empfindliche elektronische Bauteile den möglicherweise rauen Umgebungen, welche in Brennstoffzellen vorzufinden sind, ausgesetzt werden.
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Zur Behebung dieses Nachteils ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Rückführen von nicht verbrauchtem Wasserstoff-Brennstoff bereitzustellen, welche sowohl einen einfachen Aufbau aufweist ist als auch für einen Betrieb unter den widrigen Umgebungsbedingen von Brennstoffzellen geeignet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nicht verbrauchtes Wasserstoffgas an die Anode einer Brennstoffzelle mittels einer elektromagnetisch angetriebenen Pumpe zurückführt, welche von besonders einfachem Aufbau ist, auf relativ wenigen Komponenten basiert und einfach steuerbar ist, um präzise Flussraten in der Rückführungsschleife zu erzielen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Rückführungspumpe unmittelbar innerhalb der Rückführungsleitung untergebracht werden kann, wodurch Platz gespart und die Installation vereinfacht wird. Ein weiterer Vorteil einer solchen Pumpe besteht in ihrer Fähigkeit, präzise über die Hauptsteuereinheit der Brennstoffzelle gesteuert werden zu können, welche eine Vielfalt anderer Funktionen der Zelle steuert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die beweglichen Teile der Pumpe vollständig innerhalb einer Wasserstoffgasumgebung untergebracht sind, während elektrische Bauteile außerhalb der brennstoffreichen Umgebung untergebracht sind.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Rückführung eines gasförmigen Brennstoffs zur Energieversorgung einer Brennstoffzelle bereitgestellt. Die Vorrichtung weist eine elektromagnetisch angetriebene Pumpe auf, welche in der Rückführungsleitung eingebaut ist und den Anodenauslass mit dem Anodeneinlass für gasförmigen Kraftstoff verbindet. Die Pumpe weist einen Rotor auf, welcher aus magnetischem Material hergestellt und innerhalb der Rohrleitung drehbar angebracht ist, sowie einen elektrischen Stator, welcher die Außenwand der Leitung umgibt bzw. begrenzt. Der Stator weist eine Mehrzahl von Statorwicklungen auf, welche magnetisch an den Rotor gekoppelt sind. Ein Controller liefert ein Wechselstromsignal oder ein Impulsfolgesignal an den Stator, wobei er ein synchron variierendes elektromagnetisches Feld erzeugt, welches eine Drehung der Blätter des magnetischen Rotors bewirkt und dazu führt, dass der Rotor Brennstoff durch die Rückführungsleitung pumpt. Die Statorwicklungen sind vorzugsweise gleichmäßig rings um die Außenseite der Leitung beabstandet. Die Rotorblätter können entweder aus magnetischem Material ausgebildet sein oder magnetische Elemente in der Nähe der äußeren Spitzen der Rotorblätter aufweisen, um in magnetische Wechselwirkung mit dem durch die Statorwicklungen erzeugten Feld zu treten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Rückführung von nicht verbrauchtem gasförmigem Kraftstoff in die Anodenschleife der Brennstoffzelle bereitgestellt, welches den Schritt eines Pumpens des nicht verbrauchten Kraftstoffs durch eine Rückführungsleitung mittels einer elektromagnetisch angetriebenen Pumpe aufweist. Das Pumpen weist den Schritt eines Versorgens des Stators mit einem elektrischen Signal auf, welches eine auf die gewünschte Rotationsgeschwindigkeit des Rotors bezogene variable Charakteristik aufweist. Das Verfahren beinhaltet ein Platzieren eines magnetischen Rotors innerhalb der Leitung und ein Platzieren einer Mehrzahl von Statorelementen rings um die Außenseite der Leitung.
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Diese nicht einschränkenden Merkmale sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verständlich. Im Rahmen dieser Beschreibung wird auf die beigefügten Abbildungen Bezug genommen. Es zeigen:
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1 ein hochgradig vereinfachtes Blockdiagramm mit einer Wasserstoffgas-Rückführungsschleife, wobei eine Rückführungspumpe gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird;
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2 eine Kombination aus einem Blockdiagramm und einer Querschnittsansicht eines Abschnitts der Rückführungsleitung, in welcher die Montageposition der Pumpe dargestellt ist;
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3 eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Leitung, in welcher die relative Anordnung der Leitung, des Rotors und der Statorwicklungen dargestellt ist; und
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4 eine vergrößerte Teilansicht eines der Rotorblätter, in welcher die magnetische Spitze dargestellt ist.
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Gemäß 1 weist ein Brennstoffzellenstapel 10 einen Elektrolyten 16 auf, welcher zwischen Anoden 12 und Kathoden 14 mehrlagig angeordnet ist. Ein Oxidationsmittel wie z. B. Luft wird von einer Zuführung 20 über eine Rohrleitung an eine (nicht gezeigte) Sammelkammer geführt, welche die Luft auf die Oberfläche der Kathoden 14 leitet, wo der in der Luft enthaltene Sauerstoff reduziert wird.
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Ein gasförmiger Kraftstoff wie beispielsweise Wasserstoff wird von einer Zuführung 18 in ähnlicher Weise über eine Rohrleitung an eine (nicht gezeigte) Sammelkammer geführt, welche den Wasserstoff über die Oberfläche der Anoden 12 leitet. Der an den Kathoden 14 reduzierte Sauerstoff wird in negativ geladene Sauerstoffionen umgewandelt, welche durch den Elektrolyten 16 zu den Anoden 12 wandern, wo sie mit dem Wasserstoff-Kraftstoff-Gas reagieren. Der gasförmige Kraftstoff wird durch die Sauerstoffionen oxidiert und gibt Elektronen an einen (nicht gezeigten) äußeren Schaltkreis ab, wo diese eine elektromagnetische Kraft zum Antreiben einer gewünschten Last erzeugen. Die Sauerstoffionen kombinieren auch mit dem Wasserstoff an der Oberfläche der Anoden 12, wobei sie Wasser erzeugen, welches zusammen mit der überschüssigen, sauerstoffarmen. Luft über eine Abführleitung 32 abgeführt wird. Elektronen fließen weiter zu dem Schaltkreis und zu der Kathode 14, wo sie Sauerstoff aus der Luft reduzieren und so den Elektrizitätserzeugungszyklus fortsetzen. Eine Spüleinheit 43 ist an die Abführleitung 32 angeschlossen, um ein Spülen einer weiter unten beschriebenen Rückführungsleitung 22 zu ermöglichen.
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Um eine gewünschte Elektrizitätsmenge zu erzeugen, sind eine Mehrzahl einzelner Brennstoffzellen übereinander gestapelt und in Reihe zueinander geschaltet, um den Brennstoffzellenstapel 10 zu bilden. Die einzelnen Brennstoffzellen, welche den Brennstoffzellenstapel 10 bilden, können unterschiedliche Konfigurationen, einschließlich einer monolytischen, planaren oder rohrförmigen Konfiguration aufweisen. Unabhängig von der genauen Zellengeometrie werden die Brennstoffzellen so gestapelt, dass zwischen ihnen eine Reihe von Gasströmungskanälen ausgebildet wird. In einer bekannten Anordnung werden die Zellen so angeordnet, dass eine sog. Querströmung oder Orthogonalströmung erzeugt wird, in welcher das Wasserstoff-Kraftstoff-Gas und die Luftströmung in zueinander orthogonalen Richtungen und einander abwechselnden Strömungskanälen zwischen den Brennstoffzellen strömen.
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Überschüssiges, nicht verbrauchtes Wasserstoff-Kraftstoff-Gas tritt aus der (nicht gezeigten) Sammelkammer, welche die Oberfläche der Anoden 12 bedeckt und wird in eine Rückführungsrohrleitung 22 zurückgeführt, so dass es mit frischem Wasserstoffgas von der Zuführung 18 (bzw. Wasserstoffzuführung) kombiniert wird. Die Massenströmung des Wasserstoffs, welche den Anoden 12 zugeführt wird, wird mittels eines Massenströmungssensors 26 gemessen, welcher eine herkömmliche Vorrichtung oder ein speziell entwickelter Sensor sein kann. Ein herkömmlicher Luftströmungssensor 47 misst die Luftströmung von der Zuführung 20 zu der Brennstoffzelle 10 und gibt Luftströmungsinformationen an den Controller 30. Das überschüssige Wasserstoffgas wird durch die Rückführungsrohrleitung 22 mittels einer Wasserstoffgasrückführungspumpe 24 geführt, welche weiter unten detaillierter beschrieben wird. Ein Hauptcontroller 30 empfängt Signale von dem Massenströmungssensor 26, welche für die Massenströmungsrate des Wasserstoffs zu den Anoden 12 kennzeichnend sind, und sendet Steuersignale an die Zuführung 18 und die Pumpe 24, so dass eine gewünschte Strömungsrate des Wasserstoffs zu den Anoden 12 aufrechterhalten wird. Die Funktionen des Controllers 30 können in einem oder mehreren, andere Funktionen des Brennstoffzellenstapels steuernden Hauptcontroller bzw. Hauptcontrollern enthalten sein und von diesem bzw. diesen durchgeführt werden.
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Gemäß 2 bis 4 weist die Rückführungspumpe 24 einen Rotor 34 mit einer zentralen Nabe auf, an welcher eine Mehrzahl von umlaufend mit Abstand voneinander angeordneten Rotorblättern 32 befestigt sind. Die Rotorblätter 32 erstrecken sich in radialer Richtung derart, dass sie sich im Wesentlichen über den gesamten Durchmesser der Rückführungsrohrleitung 22 erstrecken und folglich über den gesamten Querschnitt des Wasserstoffgasstroms, welcher in die mittels der Pfeile 42 bezeichnete Richtung strömt. Die Rotornabe ist drehbar an einer Strebe 36 gelagert, welche an der Innenwand der Rückführungsrohrleitung 22 befestigt ist und zur Abstützung des gesamten Rotors 34 dient. Obwohl eine einzelne Strebe in dem Ausführungsbeispiel gezeigt ist, können auch je nach Anwendung eine Mehrzahl von Streben 36 oder eine ähnliche Tragstruktur vorgesehen sein. Eine derartige Tragstruktur kann so ausgelegt sein, dass sie einen minimalen Widerstand für das durch die Rückführungsrohrleitung 22 strömende Wasserstoffgas bildet.
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Die Rotorblätter 32 sind vorzugsweise aus magnetischem Material ausgebildet. Alternativ können jedoch die Rotorblätter 32 aus einem nicht-magnetischen Material wie beispielsweise Kunststoff ausgebildet sein, in welchem Falle eines oder mehrere der Rotorblätter 32 mit einem Einsatz 44 aus magnetischem Material (d. h. aus Permanentmagneten) in der Nähe der Blattspitze versehen ist. Ein elektrischer Stator ist aus einer Mehrzahl von umlaufend mit Abstand voneinander angeordneten elektrischen Statorwicklungen 38 gebildet, welche rings um die äußere Wand der Rückführungsrohrleitung 22 angeordnet sind, so dass sie magnetisch an die Rotorblätter 32 gekoppelt sind. Die Rückführungsrohrleitung 22 muss aus einem nicht-magnetischen Material ausgebildet sein, so dass das zwischen den Statorwicklungen 38 und den Rotorblättern 32 gebildete Magnetfeld nicht gestört wird.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, dass die elektrischen Teile der Pumpe 24 vorzugsweise vollständig außerhalb der Wasserstoffgasumgebung der Rückführungsrohrleitung 22 angeordnet und nur die einfachen mechanischen Bauteile der Pumpe 24 der Gasumgebung ausgesetzt sind.
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Im Betrieb sendet der Controller 30 entweder eine Impulsfolge oder ein Sinussignal (AC-Signal) an die Statorwicklungen 38, wodurch die Statorwicklungen 38 synchron mit einer Frequenz angeregt werden, welche durch die Frequenz des angelegten Signals bestimmt ist. Die angeregten Statorwicklungen 38 erzeugen ein synchron variierendes elektromagnetisches Feld (und zugehörige Kräfte), welche die ferromagnetischen Rotorblätter 32 anziehen, was zu einer Drehung des Rotors 34 um die zentrale Nabe in Richtung des Pfeils 40 führt. Die Rotorblätter 32 sind so konfiguriert, dass sie eine Strömung des Wasserstoffgases durch die Rückführungsrohrleitung 22 bewirken. Die exakte Form sowie die Anzahl der Rotorblätter 32 hängen von der jeweiligen Anwendung und den gewünschten Strömungsraten ab. Je nach den zu erreichenden Strömungsraten wird der Rotor 34 mit relativ hoher Geschwindigkeit gedreht, da Wasserstoff ein relativ leichtes Gas ist. In jedem Falle hängt die Geschwindigkeit des Rotors 34 und somit auch die Gasströmungsrate unmittelbar von der Frequenz des Anregungssignals ab, welches von dem Controller 30 geliefert wird.
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Obwohl ein Stator mit sechs Polen (38 Wicklungen) dargestellt ist (der zum Antrieb mittels eines Drehstroms geeignet ist), kann je nach Anwendung auch eine andere Anzahl von Polen vorgesehen sein. Mittels Variation des über die Statorwicklungen zugeführten Stroms wird das induzierte elektromagnetische Feld dem bestehendem Magnetfeld der Rotorblätter 32 überlagert, wodurch eine Kraft erzeugt wird, welche den Rotor 34 dreht. Die Anzahl der Statorwicklungen 38 bestimmt die exakte Ausgestaltung der erforderlichen Anregungssignale, welche von dem Controller 30 erzeugt werden müssen. Die Frequenz des Anregungssignals ist direkt proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors 34. Die Strömungsrate des rückgeführten Wasserstoffgases hängt von der gewählten Frequenz des Anregungssignals ab. Das Anregungssignal kann ein beliebiges periodisches Signal mit der gewünschten Frequenz sein, wobei jedoch ein sinusförmiges Signal oder ein Impulsfolgensignal am geeignetsten sind.
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Der Massenströmungssensor 26 erfasst die Massenströmung des Wasserstoffgases zu den Anoden 12 und gibt ein Signal an den Controller 30, welches für die Massenströmungsrate kennzeichnend ist. Der Controller 30 stellt dann die Drehzahl der Rückführungspumpe 24 und/oder die Drehzahl einer (nicht dargestellten) Pumpe ein, welche die Zufuhr von frischem Wasserstoff von der Zuführung 18 steuert, um sicherzustellen, dass Wasserstoffgas den Anoden 12 mit der geeigneten Rate zugeführt wird. In manchen Fällen kann auch ein (nicht dargestellter) herkömmlicher Gasanalysesensor verwendet werden, um Informationen an den Controller 30 zu liefern, welche bei der Einstellung der Drehzahl der Pumpe 24 berücksichtigt werden. Es kann erforderlich sein, die Rückführungspumpe 24 vor dem ersten Gebrauch zu kalibrieren.
